Оптикоэлектронный трансформатор тока

4А.Брыэгалов, А.Д.Крастина и В. .Зубкое.,Авторыобретени аучно-исследовательский инс 7) Заявител постоянного ток 54) ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА ик измер змеряюти поляри- к оптическо, блок вра" ии, анализа тор опорных вычислитель ще Изобретение относится тельной технике.Известно устройство, ие угол поворота плоскос зации, содержащее источни го излучения, поляризатор щения плоскости поляризац тор, Фотодетектор, генера электрических сигналов и сдвига фаз 1.Недостатком известного является существенная зав результатов измерения от элементов оптического тра понижает точность измеренИзвестно устройство (о ронный трансформатор тока щее источник оптического датчик угла поворота плос ризации, управляемый изме ком, модулятор и демодуля вого потока, в.котором иэ угол поворота плоскости и оптического излучения соз устройстваисимостьпараметровкта,.чтоияептико-элект 5), содержа"излучения,кости поляряемым то"тор светомеряемый,оляризациидается. ячейкой Фарадея, выполняющей функцию дат" чика угла поворота плоскости поляризации, управляемого измеряемым током.Отличительной особенностью устройства является наличие главной компен" сационной обратной связи, в которой обработка и выделение сигнала обратной связи осуществляется с использованием принципа модуляции и демодуляции светового потока 2 1.Недостатком данного устройства является также низкая точность иэмерения. Наиболее близким к предлагаемому является устройство, измеряющее уголФ. поворота плоскости поляризации, возникающий под действием постоянного тока (оптико-электронный трансформатор тока), включающее в себя датчик угла поворота плоскости поляризации, выполненный в виде ячейки фарадея, управляемый измеряемым токоми главную обратную связь, содержащую источ3 917 О 9 ник оптического излучения, поляризатор, модулятор плоскости поляризации, компбнсатор угла доворота плоскости поляризации - ячейку Фарадея, анализатор, фотоприемник, селективный уси-литель, синхронный детектор, генератор, усилитель мощности входного сигнала модулятора, усилитель мощности входного сигнала компенсатора.Измерение тоха с помощью такого 16 устройства осуществляется путем измерения сигнала компенсации, содержащего информацию об угле поворота плоскости поляризации светового потока, пропорционального измеряемому 1 току 31.Недостатком данного устройства является то, что на точность измерений влияют нестабильность следующих параметров: мощности излучения излу-. 26 чателя, коэффициента пропускания оптической системы, глубины модуляции модулятора, чувствительности Фотоприемника, коэффициента усиления селективного усилителя., 23Цель изобретения - повышение точ- ности измерений. Поставленная цель достигается тем, что в оптико-электронный трансФорматор тока, содержащий источник оптического излучения, последователь. но включенные поляризатор, датчик угла поворота плоскости поляризации, модулятор плоскости поляризации, компенсатор угла поворота плоскости поля3 ризации, анализатор,. Фотоприемник и селективный усилитель, выход которого подключен к первому входу основно" госинхронного детектора, второй вход46 которого соединен с выходом генератора и через усилитель мощности модулятора с управляющим входом. модулятора плоскости поляризации, а выход основного синхронного детектора через4 Я усилитель мощности компенсатора подключен к управляющему входу компенсатора угла поворота плоскости поляризации, причем выход усилителя мощности компенсатора является выходом устф,ройства, введены удвоитель частоты, ф дополнительный синхронный детектор, Фазовращатель, элемент сравнения, историк опорного напряжения, управ ляемый ооптический аттвнюатор и блок регулирования, при этом первый вход зф дополнительного синхронного детектора через удвоитель частоты подключен к ;выходу генератора, второй вход через 8 4фазовращатель подключен к выходу селективного усилителя, а его выход связан.с первым входом элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход через блок регулирования подключен к входу источника оптического излучения, выход которого через управляемый оптический аттенюатор соединен со входом поляризатора.На чертеже приведена функциональная схема оптико-электронного трансформатора тока.Схема содержит источник 1 оптического излучения, управляемый оптический аттенюатор 2, поляризатор 3, датчик 4 угла поворота плоскости поляризации, модулятор 5 плоскости поляризации, компенсатор 6 угла поворота плоскости поляризации, анали" затор 7, Фотоприемник 8, селективный усилитель 9, основной синхронный детектор 10, генератор 11, усилитель 12 мощности модулятора, усилитель 13 мощности компенсатора, удвоитель частоты, дополнительный синхронный детектор 15 вспомогательной обратной связи, фазовращатель 1 б, элемент 17 сравнения, источник 18 опорного напряжения, блок 19 регулирования. Вы" ходом устройства является выход усилителя 13 мощности компенсатора.Связи, показанные на чертеже пунктиром.означают, что выхоц блока 19 ре" гулирования может бь 1 ть подключен ко входу одного из следующих элементов устройства с регулируемым выходным сигналом: к усилителе 12 мощностимодулятора, к фотоприемнику 8, куправляемому оптическому аттенюато"ру 2, к селективному усилителю 9,к источнику 1 оптического излучения. Управляемый оптический аттенюатор 2 может быть выполнен одним из из"вестных способов, например, в видежидкокристаллической ячейки с электрически управляемой прозрачностью,оптического затвора на основе использования магнито." или электрооптического эффектови т,п,Датчиком 4 угла доворота плоскос " ти поляризации может служить вещество, обладающее естественным или маг" нитным вращением плоскости поляризации, а также элемент, преобразую" щий линейно поляризованное излучение в рллиптически поляризованное, опти-.917 О 98 5чески связанный с четвертьволновойпластинкой, которая устанавливаетсяпо ходу луча после. этого элемента,по схеме Сенармона,Электрически управляемый модуля- %тор плоскости поляризации и компен"сатор угла поворота плоскости поляризац,и могут быть выполнены на основе одного из физических эффектов:фарадея, Поккельса или Керра. В модуляторе плоскости поляризации икомпенсаторе угла поворота плоскостиполяризации в .предлагаемом устройстве используется эффект Фарадея.Устройство работает следующим об Зразом.Коллимированный монахроматическийпучок света от источника 1 оптического излучения проходит последовательно через оптический аттенюатор 2, 20поляризатор 3, датчик 4 угла поворо"та плоскости поляризации, модулятор5 плоскости поляризации, компенсатор6 угла поворота плоскости поляризации(ячейку Фарадея), анализатор 7 и йо" Иступает на Фотоприемник 8. Плоскость .поляризации светового пучка, выходящего из поляризатора 3, при прохожде"нии через датчик 4 угла поворотаплоскости поляризации испытывает по" 30ворот на некоторый постоянный угол161, подлежащий измерению, а в иодуляторе 5 плоскости поляризации поддействием сигнала, поступающего от"ч енератора 11 через усилитель мощнос"зти модулятора 12, это положение плос"кости поляризации дополнительно моду"лируется с круговой частотой ЮПромодулированный по углу поворотаплоскости поляризации пучок света через 40оптический элемент компенсатора б углагповорота плоскости поляризации (ячвй,ку Фарадея) поступает в анализатор 7,плоскость поляризации которого ортого"нальна плоскости поляризации поляризатора 3, При этом на вход Фотоприемника 8 поступает световой пучок,интенсивность которого в каждый момент времени в соответствии с закономоИалюса имеет величину- коэффициент пропускания оп"тического аттенюатора 2,ф - коэффициент, учитывающийпотери в оптическом трактесистемы,угол, на который поворачивается плоскость поляризации светового потока, падаю"щего на анализатор 7 поддействием оптических эле- .ментов, расположенных. напути его распространениямежду поляризатором 3 ианализатором 7коэффициент пропусканияанализатора 7 при Ф.= 22. Световой поток, имеющий интенсив-.ность Д, на выходе Фотоприемника 8создает фототок 1 ф= + т,где ф - интегральная чувствительность Фотоприемника 8;- - темновой ток Фотоприемника 8.Фототок 1 ф через селективный усилитель 9 поступает на вход основногосинхронного детектора 10. В результате сравнения сигналов, поступающихот генератора 11 и селективного усилителя 9, основной синхронный детек"тор 10 .вырабатывает электрическийсигнал, поступающий через усилитель13 мощности в электрическую цепь компенсатора б угла поворота плоскостиполяризации (ячейки Фарадея). Поддействием этого сигнала плоскостьполяризации светового потока, провед"щего чувствительный оптический эле"мент компенсатора Ь, поворачиваетсяна угол Вк, равный (с 1 гочностью даугла некомпенсации) и обратный по.знаку углу Оп , подлежащему измерению. В установившемся режиме работысуммарный поворот плоскости поляриозации светового потока на входе ванализатор 7 равен9=Ц 9 ур,) +Эи 1 и ЧА , (4)где 911,- амплитудное значение углаповорота плоскости поляризации, изменяющегося с частотой,модуляции Щ осуществляемой модулятором 1,2С учетом (1,) и (4) выражение (3)приобретает виду 1 Дь 1 и (вмчиаЮ 1 1,где 1 ф," 3 Ф Зов(б)аз 1 ФО р + 1 т(7)автоматическую коррекцию погрешности,ся с помощью дополнительного синхронного детектора 15, на один вход котомаемых с выхода селективного усилителя 9 и удвоителя 4 частоты, Сигнал детектора 15 в виде постоянного напряжения, пропорционального амплитуде второй гармоники поступает навход элемента 17 сравнения, на другой вход которого подается напряжеНа выходе элемента 17 сравнения формируется сигнал рассогласования,который воздействует на соответствующий параметр одного из следующихэлементов прямой ветви главной обратной связи: источника 1 оптическогоизлучения, управляемого оптическогоаттенюатора 2, фотоприемника 8, селективного усилителя 9, усилителя12 мощности модулятора, что приводитк возврату амплитуды сигнала второйгармоники на выходе селективногоусилителя 9. к заданному уровню и,как следствие, - к стабилизации множителя при 6(6-8 кЯв выражении (10,),При этом для достижения максимальной независимости частотно-фазовой характеристики элементов, 8, 9 и 12 от изменения коэффициентов передачи этих элементов в пределах заданного диапа" эона их регулировки. В зависимости от вида регулируемого параметра Яис,в Ч в 7 ф в Ои р бл ) выбираетсято или иное схемное решение блрка 7 917098 8При малых углах х з 1 п х = х, поэтому выражение (5) можно представить обусловленной нестабильностью парав виде 1 фт 1 (8-р )+1 е в 1 иррь 1 ет. метров Иио, , 11, фв, дти, тт 1)2о в выражении (10). Из выражейия (9 )+1 ="ф (6-9 ) +ф (Ви-Эк)би 1 иа+ З видно, что перечисленные выше параметры определяют значение амплитудыФо ич Ж 6, СОб 2 жВ+1, сигнала второй гармоники с частотойПри прохождении этого сигнала че(ю, что позволяет испольэовать эторез селективный усилитель 9 подавляет- значение для выделения и коррекциися постоянная составляющая (1-ый и 0 нестабильности множителя при угле3-ий члены в выражении (8 и шумы, рассогласования ( 9 - 6 к) в первомсодержащиеся в члене, спектр ко- члене этого выражения за счет введеторых лежит за пределом полосы про- ния дополнительной обратной связипускания селективного усилителя 9. по значению этой амплитуды.В результате сигнал ОС на выходе 3 Сигнал второй гармоники выделяетселективного усилителя имеет видО= 6,1( )1(9,-9 К) 8, ВАМИ ЦАррого подается удвоенная частота от91("л(аэ) Фои СОВ йщ 1. генератора 11 (удвоение частоты осуС учетом (2 у и (6) 2 о ществляется удвоителем 1 М частоты),9 -( д щ 1 у (р)9 , 1а на другой вход через фазовращатель16 поступает сигнал с выхода селекл(2 е)ис Щ 3 фВСО 2 И, тивного усилителя 9. При этом фазогде 6, , 6 с коэффициенты переда- вращатель осуществляет согласование4(Жеучи селективного уси" 5 фаз сигналов удвоенной частоты, сжилителя 9 на частотахщ и 2 О соответственно (считаем с выхода дополнительного синхронного. Офй)+ Ол(зв)", Ч)Основной синхронный детектор 10 зовспомогательного канала выделяет(демодулирует) из сигнала, описываемого выражением (9), постоянную составляющую сигнал компенсации), зна- ние источника 18 опорного напряжения.чение, и знак которой определяетсясоответственно амплитудой и фазойпервого члена этого выражения. Токкомпенсации на выходе усилителя 13удовлетворяет следующему равенству:3, К(эсв уо)б(е),где Кнекоторый постоянный коэффициент, зависящий от конкрет-,ного схемного решения основ-;ного синхронного детектора10 вспомогательного канагр,146 "-общий коэффициент передачиХпо постоянному току усилителя 13 и синхронного детектора 10.Значение 31 является мер "яется ме ой иэметочности желательно соблюдать условиеряемого угла поворота плоскости поляризации 9 и,.Одновременно с процессами автокомпенсации и выделения информации обиэмеряемом угле поворота плоскостиполяризации, происходящими в цепиглавной обратной связи, вспомогательная обратная связь осуществляетформула изобретения 9 91709 19 регулированияНапример, если в качестве регулируемого параметра ис" пользуется коэффициент усиления 6,1 селективного усилителя 9, то блок 19регулирования выполняют в виде 5 управляемого делителя, который изме- . няет коэффициент усиления селективного усилителя 9. бсли в качестве регулируемого параметра используется интенсивность светового потока 3 ыс, то блок 19 регулирования выполняют в виде управляемого источника тока, предназначенного для питания источника 1 оптического излучения, и т,д, 15Применение дополнительной обрат" .ной связи обеспечивает автоматическое введение поправки, учитывающей суммарное влияние на точность изме" рения нестабильности" светового по- тока и коэффициентов преобразования следующих элементов прямой цепи глав.ной обратной связи -модулятора,плоскости поляризации, усилителя 32 мощности мбдулятора, Фотопрйемнйка В,.ь селективного усилителя 9 В резуль,тате повыаается точность измерений и снижаются требования к стабильнос, ти перечисленных вьае элементов схемы,30 Оптико-электронный трансформатор тока, содержащий источник оптического излучения, последовательно вклю" ченные поляризатор, датчик угла по" ворота плоскости поляризации, модулятор плоскости .поляризации, компеиса, тор угла поворота плоскости поляриза, ции, анализатор, Фотоприемник и селективный усилитель, выход которою 8 10подключен к первому входу основногосинхронного детектора, второй входкоторого соединен с выходом генератора и через. усилитель мощности модуля"тора с управляющим входою модулятораплоскости поляризации, а выход основ"ного синхронного детектора черезусилитель мощности компенсатора подключен к управляющему входу компенсатора угла поворота плоскости поляризации, причем выход усилителя мощнос"ти компенсатора является выходомустройства, о т л и ч а ю щ и й с я;тем, что, с целью повыеения точностиизмерения, в него введены удвоительчастоты, дополнительный синхронныйдетектор, Фазовращатель, элементсравнения, источник опорного напря;жения, управляемый оптический аттенюатор и блок регулирования, приэтом первый вход дополнительногосинхронного детектора через удвоительчастоты подключен к выходу генератора, второй вход через Фазовращательподключен к выходу селективного усилителя, а его выход связан с первымвходом элемента сравнения, второйвход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход через блок регулирования подключен к входу источника оптическогоизлучения, выход которого черезуправляемый оптический аттенюаторсоединен с входом поляризатора.Источники информации,принятые во внимание при экспертизеАвторское свидетельство СССРй 51506, кл. 6 О 1 Я 15/03, 1972.2. йатент Франции У 2015019,кл. 6 01 Й 21/00, 1974.3 Патент франции И 1555799,кл. Я 61 Й 1969 (прототип)./64 Тираж 719 По ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 35, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5аз 1880 сйое филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектн